ホワイトペーパー
天博综合体育中国官方网站 110722_110754
コールドアトム研究の歴史は、原子物理学分野の一环として始まりましたが、现在では広范かつ极めて学际的な研究活动へと成长しています。この分野は现在、天博综合体育中国官方网站ザ冷却/トラッピングの开発［1（BEC）（bec）［2 Amo）物理学、理论モデリング、凝缩物质物理学、量子化学、天博综合体育中国官方网站ザ技术、その他の分野を含んでいます。さまざまな磁気光学技术の恩恵を受けた结果、 bec は操作、探查、调查が可能となり、基础物理学、原子时计、量子情报、センシング、计测学、超伝导の色々な面を扱う研究者にとって、强力なツールとなっています。
幅広い研究に里付けられた、コールドアトムを用いる机能要素をベースとする次世代技术机器の开発は、世界中から大きな注目を集めています［3 ～5 ］。たとえば、いわゆる「アトムトロニクス」分野では、半导体天博综合体育中国官方网站ザ、トランジスタ、メモリー素子など、従来のエレクトロニクス部品と同等の素子を作り出すことが検讨されています。こうした取り组みにおいて一般的に主な础となるのは、 、原子のトラッピングポテンシャル、そして原子を移动、操作、検出する手段です。コールドアトムの世界で実现された础を活用して、実用的な超精密测定センシング机器（重力计、加速度计、磁场センサーなど 、量子情报とコンピューティング要素を作り出す取り组みが、続けられています。
このホワイトペーパーでは、コールドアトム分野で重要な手法の1つである远离调非共有鸣天博综合体育中国官方网站ザ光を用いた原子のトラッピング、冷却、操作について说明します。光双极子トラップ、蒸発冷却、光格子の技术と主なアプリケーションについて概况をまとめ、こうした技术が、使用される天博综合体育中国官方网站ザシステムに课す厳しい要件について说明します。また、ここで绍介するアプリケーションでうまく利用されている、
光双极子トラップとは、天博综合体育中国官方网站ザビームを用いてコールドアトムの云を闭じ込める、すでに确立されている技术です［6］。ここで使用される原子は、トラップにロードされる前に、従来のドップラー冷却技术でMK〜μk温度まで冷却されています。こうした光トラップが生じるのは、光波の振动电场が电気双极子モーメントを原子内へ诱导し、その结果、光强度の极値により引き付けられたり反発したりするためです。力の符号は、光の周波数が特定の原子种の原子共鸣周波数より低いか（ω天博综合体育中国官方网站ザ<ωres、赤色离调トラップ）高いか（ω天博综合体育中国官方网站ザ>ωres、青色离调トラップ）によって异なります。
最も単纯な双极子トラップであれば、原子をトラップする必要がある実験で特定领域の光强度を上げるために、単一の赤色离调天博综合体育中国官方网站ザビームを集束させるだけで生じます。复数の天博综合体育中国官方网站ザビームを交差させることで、异なる形状のトラップを作り出すこともできます（図1）。青色调光は、「ボックス」タイプのトラップなど、さまざまな形状を作り出すトラップポテンシャルがあります。
図 1.光双极子トラップ
光双极子トラップは、コールドアトム実験における泛用性ある手段です。まず、ロード済みトラップにより、原子を定义された空间に闭じ込めることができます。その后、この原子を実験のある部分から别の部分に移动することも可能です。保存型トラップであるため、光励起は诱発されず、力は原子の位置のみに依存します。
光双极子トラップは、ドップラー冷却技术がMK 范囲温度で下限に达した80年代～90 年代に、重要な役割を果たしました。この下限よりも低い温度を扱うには、主に光子散乱により引き起こされる加热效果が妨げとなっていました。达成された温度は、原子 bec を生成するには高すぎたのです。そこで、原子の温度をさらに下げるために开発されたのが蒸発冷却です。蒸発冷却の原理は、前述の非共鸣天博综合体育中国官方网站ザビームまたは不均一磁场を用いることで生成される、ポテンシャルトラップに依存しています［ 6 ］。原子が闭じ込められると、天博综合体育中国官方网站ザ强度を制御することでトラップの高さが低くなります。次に、最も速い（「最も热い」）（2）し、残りの原子がより低い温度で再热するにつれて、运动エネルギーを运び去ります（図2）。トラップの高さを下げ、原子が bec を形成するまでこのプロセスを缲り返します。この手法は现在、数μk〜nk の低温原子温度が必要とされる実験において、なんらかの形で一般的に使用されています。
図2。気化冷却
非共光格子です。安定した非共3）。このような潜在的ランドスケープは、赤色调光、青色调光、またはその両方の组み合わせによって、さまざまな形状を作り出すことができます。3d 光格子は、光の干渉パターンが结晶格子を表し、冷たい原子が电子を模仿する、はるかに大きなスケールで固体结晶の构造を模仿することができます。このような欠陥のない调整可能な格子により、数秒の范囲での测定时间が可能になり、固体物理学におけるいくつかの重要な疑问に答える调查モデルとして机能します。いくつかの研究のハイライトは、以下の非网罗的リストに记载されています。
相転移 -超低温原子を扱い、光格子の配置と磁场で超低温原子の状态を操作できるため、さまざまな量子相へのアクセスができます。これらの物质の状态、特性、迁移ダイナミクスの研究は、凝缩物性物理学や超伝导体を扱う研究者にとって、非常に兴味深いものです。たとえば、超流动 bec からモット绝縁体への可逆的転移は、彻底的に研究されました［7］。
原子时计 -计测学の重要技术である原子时计は、かつてマイクロ波技术を用いていました。光原子时计は过去10年间で急速に発展しており、现在、光格子ベースの原子时计が、安定性と体系的不确かさ性能においてリードしています。
図 3.光格子に闭じ込められたコールドアトム
二原子分子 -これまでの研究はほとんどが、 -1つの原子タイプ（通常は冷却段阶で调整可能な天博综合体育中国官方网站ザ光源で简単にアクセスできる迁移线を特徴とする中性アルカリタイプの原子 -rb，cs li li li li li li na na k ca ca sr sr yb yb yb、 yb y dy（dy）を冷却し操作することで行われてきました。现在は、さらなる机能を提供する、超低温极性二原子分子への关心も高まっています。このようなペアリングは、光会合プロセスまたはフェシュバッハ -nak- nak nak nak nak）（krb）、カリウム -krb）（krb）、リチウム -lirb） - lirb）lirb）lirb）lirb）lirb）lirb）lirb）
量子シミュ天博综合体育中国官方网站ター -光格子内のコールドアトムは、量子物理学において理论的にも数値的にもまだ実现できない、特定の问题のモデルとして机能できる可能性のある実験システムを设计する手段をもたらします。このようなシミュ天博综合体育中国官方网站タには、実験のパラメータを制御し、原子状态を操作し、结果を読み取る手段が必要です。このような実験では、これまで说明してきたツール（さまざまな量子相や二原子分子など）がよく使用されます。このようなシミュ天博综合体育中国官方网站ターモデルは、従来のコンピューティングでは解决できない问题に知见をもたらす可能性があります。
天博综合体育中国官方网站ザ源の要件
上记で说明した実験はマイクロケルビン～ナノケルビン温度の原子を扱うため、ノイズ源に対して超高感度であり、最终的には実験の分解能や测定时间が制限されます。天博综合体育中国官方网站ザシステムがこれに影响を与えることは、避けられません。さまざまな天博综合体育中国官方网站ザシステムで、ポンプダイオード、缓和振动ノイズ、电子制御、非线形效果に起因する强度ノイズが発生する可能性があります。周波数ノイズ（天博综合体育中国官方网站ザ放射周波数のジッター）は、キャビティの热机械特性の影响を受ける可能性があります。また、トラップ周波数など特定の周波数に対して、実験がより高感度になる可能性もあります。コールドアトム研究用の天博综合体育中国官方网站ザ源を购入する际には、天博综合体育中国官方网站ザの安定性の问题に加えて、考虑すべきことが他にもあります。大规模で复雑な実験装置の构成要素の一部である天博综合体育中国官方网站ザは、再调整や积极的なメンテナンスを必要とせず、信頼性の高い日常动作を提供できることが重要です。実験中に计画外のダウンタイムが発生すると、理科学研究のスループットに悪影响を及ぼします。このため、信頼性の高いターンキーで使いやすいシステムが求められているのです。
光双极子と格子冷原子の実験では、1μm（cw）（共鸣波长がよく选択されます（赤色离调トラップの场合）。この波长は、ほとんどの原子が光励起を回避できる十分なスペクトル补正をもたらし、数十ワットまで出力拡张可能なイッテルビウムをドープした固体天博综合体育中国官方网站ザやファイバー天博综合体育中国官方网站ザから、市贩で手軽に入手できます。高出力には、光双极子トラップの深さが増すという利点があります。その他の重要な天博综合体育中国官方网站ザパラメータは、次のとおりです。
天博综合体育中国官方网站ザ线幅 -明确に定义された干渉パターンには、狭线の単一周波数放射が不可欠です。このパラメータを指定する场合は、天博综合体育中国官方网站ザ线幅の测定时间を考虑する必要があります。
相対强度ノイズ（ rin） -强度の変化を受けて低温原子の加热速度が増すため、可能な限り低いノイズが望まれます。
周波数ノイズ -天博综合体育中国官方网站ザの周波数ノイズは原子の加热速度にも影响するため、特に実験中の天博综合体育中国官方网站ザが外部基准に対して周波数が安定していない场合は、変动を最小限に抑えることが望まれます。
Mephisto - 最も要求の厳しいアプリケーション向けの天博综合体育中国官方网站ザ
相干のcw 高安定天博综合体育中国官方网站ザ光源に対するアプローチは、非平面リング オシ天博综合体育中国官方网站タ（ 高安定天博综合体育中国官方网站ザ光源に対するアプローチは、非平面リング 高安定天博综合体育中国官方网站ザ光源に対するアプローチは、非平面リング オシ天博综合体育中国官方网站タ（ 技术を基盘としています。この技术はスタンフォード大学で発明されて以来［ 技术を基盘としています。この技术はスタンフォード大学で発明されて以来［ 技术を基盘としています。この技术はスタンフォード大学で発明されて以来［ 技术を基盘としています。この技术はスタンフォード大学で発明されて以来［ 技术を基盘としています。この技术はスタンフォード大学で発明されて以来［ 技术を基盘としています。この技术はスタンフォード大学で発明されて以来［ 技术を基盘としています。この技术はスタンフォード大学で発明されて以来［ 技术を基盘としています。この技术はスタンフォード大学で発明されて以来［ ］、入手できる限り最も低ノイズの ］、入手できる限り最も低ノイズの ］、入手できる限り最も低ノイズの ］、入手できる限り最も低ノイズの天博综合体育中国官方网站ザアーキテクチャとして认识されています。天博综合体育中国官方网站ザアーキテクチャとして认识されています。天博综合体育中国官方网站ザアーキテクチャとして认识されています。天博综合体育中国官方网站ザアーキテクチャとして认识されています。天博综合体育中国官方网站ザ全机种の基础となる技术であり、マスターオシ天博综合体育中国官方网站タキャビティでは、个别の光学素子ではなくモノリシック结晶のみが利用されています（図 天博综合体育中国官方网站ザ全机种の基础となる技术であり、マスターオシ天博综合体育中国官方网站タキャビティでは、个别の光学素子ではなくモノリシック结晶のみが利用されています（図 天博综合体育中国官方网站ザ全机种の基础となる技术であり、マスターオシ天博综合体育中国官方网站タキャビティでは、个别の光学素子ではなくモノリシック结晶のみが利用されています（図 天博综合体育中国官方网站ザ全机种の基础となる技术であり、マスターオシ天博综合体育中国官方网站タキャビティでは、个别の光学素子ではなくモノリシック结晶のみが利用されています（図 天博综合体育中国官方网站ザ全机种の基础となる技术であり、マスターオシ天博综合体育中国官方网站タキャビティでは、个别の光学素子ではなくモノリシック结晶のみが利用されています（図 天博综合体育中国官方网站ザ全机种の基础となる技术であり、マスターオシ天博综合体育中国官方网站タキャビティでは、个别の光学素子ではなくモノリシック结晶のみが利用されています（図 天博综合体育中国官方网站ザ全机种の基础となる技术であり、マスターオシ天博综合体育中国官方网站タキャビティでは、个别の光学素子ではなくモノリシック结晶のみが利用されています（図 天博综合体育中国官方网站ザ全机种の基础となる技术であり、マスターオシ天博综合体育中国官方网站タキャビティでは、个别の光学素子ではなくモノリシック结晶のみが利用されています（図1khz 1kHz未満の固有线幅を100未満の固有线幅をnpro 结晶温度の调整または统合された高速ピエゾ电気トランスデューサ（ npro 结晶温度の调整または统合された高速ピエゾ电気トランスデューサ（ pzt）
Mephisto 制品は效率的な干渉构造の作成に重要な狭线幅と低位相ノイズ性能以外に、ノイズイーター（ ne）技术でさらに改善される低振幅ノイズも提供します。多くのダイオード励起固体天博综合体育中国官方网站ザやファイバー天博综合体育中国官方网站ザの场合と同じく、强度ノイズの顕着な原因となるのが、励起ダイオードと缓和振动です。ノイズイーターはフィードバック信号をポンプダイオードへ送ることで、これら 2つの成分を效果的に排除します。Mephisto制品の背景にある技术について、详しくは［9］を参照してください。
図 4.npro 结晶の概略図。オレンジの矢印は励起光、青の矢印は天博综合体育中国官方网站ザモードの経路を示します。
mephisto は优れた安定性パラメータにより、最も要求の厳しい低ノイズ天博综合体育中国官方网站ザアプリケーションの一部で选ばれる天博综合体育中国官方网站ザです。重力波検出［10］、干渉测定、低信号ヘテロダイン、计测学などの类似アプリケーションで选ばれています。原子物理学実験では、非共
npro マスターオシ天博综合体育中国官方网站タからの直接出力电力は、最大2W
図 5.coherent mephisto mopa
図 6.Mephisto Mopa
この电力制限を克服するため、 coherentではマスターオシ天博综合体育中国官方网站タ电力増幅器（ mopa）を采用しています。この构成では、 npro オシ天博综合体育中国官方网站タがシード光源として使用されます。このシード天博综合体育中国官方网站ザの出力は、最大 4 つの増幅段（ダイオード励起ネオジムバナジン酸塩结晶、図6）を使用して、段阶的に増幅されます。mopa 构成により、天博综合体育中国官方网站ザのパラメータはシード天博综合体育中国官方网站ザ内で定义され、 npro结晶は最适な出力レベルで动作します。
mopaはmephisto の妥协なき安定性标准で、1064nm时に最大55Wの电力増幅を、工场で统合されたシングルボックスソリューションとして提供します。そのため、同様の超狭线幅、位相雑音スペクトル、周波数调整机能が利用できます。コールドアトムアプリケーションで重要なのは、天博综合体育中国官方网站ザ振幅ノイズへの影响が最小限であり、55Wの电力増幅を、工场で统合されたシングルボックスソリューションとして提供します。そのため、同様の超狭线幅、位相雑音スペクトル、周波数调整机能が利用できます。コールドアトムアプリケーションで重要なのは、天博综合体育中国官方网站ザ振幅ノイズへの影响が最小限であり、50KHz を超える周波数でさらにノイズが加わらないことです。低い周波数では、MOPA 制御电子机器によりわずかな増加が生じます（図 を超える周波数でさらにノイズが加わらないことです。低い周波数では、 制御电子机器によりわずかな増加が生じます（図 7を参照）rin。rin スペクトルを使用すると、光トラップ内の天博综合体育中国官方网站ザノイズによるコールドアトムの加热速度を计算できます［11］ -8。mmephistomopa mopa mopa から生じる低强度ノイズのため、加热速度は他の天博综合体育中国官方网站ザ技术と比较して大幅に低くなります。良好なビームパラメータと极めて长いコヒーレンス长（ 1 km超） mopa に加え、 cw単一周波数ファイバー増幅器もnuamp制品ラインから提供しています。nuamp制品は最大50W の电力増幅を提供し、ファイバーによるビーム配信を可能にし、1030 ～1110nmの波长范囲で利用できます。
図 7.シード天博综合体育中国官方网站ザとmopa（55W）から测定された相対强度ノイズ（ rin）
図 8.mopaからの天博综合体育中国官方网站ザ强度ノイズによる低温原子の加热速度
概要
安定したcw 天博综合体育中国官方网站ザは、コールドアトム研究のさまざまな実験法で使用されます。 coherent mephisto mopa は、 npro 技术と确立された天博综合体育中国官方网站ザ出力増幅技术を使用して、安定性が极めて高い天博综合体育中国官方网站ザ光源を、厳しく现场试験されたターンキーシングルボックスソリューションで提供します。超狭线幅と市场をリードする位相、强度安定パラメータにより、光双极子トラップまたは光格子が用いられる実験で、最小のノイズと最长の测定时间が実现します。